夏季北方常见3种植物群落环境内的康养效果研究

王 茜，王月容*，古 琳，段敏杰

夏季北方常见3种植物群落环境内的康养效果研究

王 茜1，王月容1*，古 琳2, 3，段敏杰1

(1. 北京市园林科学研究院，北京 100102；2. 中国林业科学研究院林业研究所，国家林业局森林培育重点实验室，北京 100091；3. 国家林业局城市森林研究中心，北京 100091)

通过对夏季奥森公园内3种游憩林分环境的保健因子日变化、季节变化规律的研究，来分析不同林分环境对人体健康的影响。具体的研究方法为：采用温湿度仪、粉尘监测仪、空气负离子测定器分别收集、分析夏季不同林分环境的空气温湿度、空气颗粒物、空气负离子等保健因子，采用数据统计分析方法并结合动物旷场试验模拟森林环境对人体的保健功能。结果表明，从人体舒适度指数日均值来看，对照组最高，其次为阔叶林，针阔混交林最低，对照组分别比其他3种林分日均值高11.14%、7.00%和13.15%。从PM2.5颗粒物浓度日均值分析来看，对照组最高，阔叶林次之、针叶林最低，对照组分别比其他3种林分日均值高22.46%、8.70%和6.16%。从各林分负离子日均值大小来看，针阔混交林最高，阔叶林次之，对照组最低，对照组分别比其他3种林分日均值低52.53%、43.03%和35.82%。从动物旷场试验模拟分析结果来看，与对照组相比，经过其他3种林分处理的小白鼠运动总路程、中央格运动路程、中央格停留时间和进入次数均明显提高。说明夏季3种游憩林内生态环境整体较好，尤其是针叶林或针阔混交林颗粒物日均浓度较低、负离子浓度日均值较高、温湿度适宜。经过阔叶林环境处理的小白鼠较其他3种林分相比，探索、认知能力显著提高，适合森林浴场的开发和建设。

夏季；游憩林；保健因子；康养效果

随着工业化城市的飞速发展，颗粒物污染、城市热岛效应、酸雨、光化学反应等各种环境问题严重威胁到人类的健康。城市森林作为城市生态系统的重要组成部分，其内的生态保健功能为维持居民健康提供各种生态服务[1-2]。西方等发达国家对城市森林保健功能的研究起步较早，自20世纪50年代以来，德国、美国、英国、日本、韩国等国家先后对森林康养、园艺疗法等开展了相关研究并取得了丰硕成果，研究重点侧重于森林活动对疾病预防和康复方面的积极作用[3-5]。我国对此研究起步较晚，目前主要集中于森林生态保健基地的规划和建设[6-8]，而结合森林保健因子变化规律并对人体健康效应的耦合研究还较欠缺。森林康养与公共健康的实证研究以往多直接以人为研究对象，此法不但样本量大，且由于人自身复杂的社会属性，受疾病状态、文化背景、兴趣高低程度等多重因素影响，很难做到被试样本的各项指标达到绝对统一，不但试验成本高，且所得结论异质性较大[9]。

动物旷场试验作为经典的行为学试验方法，该研究对象小白鼠易于观察，且它与人类具有同源性较高的基因组，被医学广泛用作模式生物。同时，有部分学者的研究结果证明，该试验能科学、有效地反映动物对森林环境的探索习惯以及伴随的情绪变化[10]。本研究以北京市奥林匹克森林公园为研究地，对其内夏季3种典型游憩林分环境保健因子数据进行采集并分析，采用动物旷场试验模拟人类进入森林环境生活一段时间后，其情绪、心理生理指标的变化，通过量化小鼠的心理、行为指标，客观地评价不同类型游憩林分环境对人体康养效果的影响，旨在为游憩林“森林浴场”的开发建设提供理论指导和数据支持。

1 材料与方法

1.1 研究地点及样地选择

北京市奥林匹克森林公园（以下简称奥森公园）位于朝阳区北五环林萃路（40°03′35′N，116°40′06 E）。公园占地面积680 hm2，年平均气温10～12 ℃，年均日照时数2 000～2 800 h，年均降水量600～700 mm，年相对湿度50%～60%。夏季（6—8月）以高温多雨天气为主，日均气温26 ℃，日均相对湿度78%。公园分南北两园，北园以自然林为主，园内乔木以垂柳（）、国槐（）和毛白杨（）等乡土植物为主，植被覆盖率达96%。

试验地选在奥森公园北园内相邻的3种典型人工游憩林，分别为银杏纯林（）、侧柏纯林（）、国槐和侧柏混交林（）。每种林分内按东、南、西、北4个方向共设置6个重复，重复间距10 m以上，在距离样地200 m左右的空旷草坪区域设置6个重复空白对照点，对照点间距10 m以上。

图1 试验样地和对照样地示意图

Figure 1 The schematic diagram of the tested sample plot and paired plot

1.2 康养因子指标测定及综合评价

2019年7月选择晴朗无风的天气10 d（2—4号、10—13号、20—22号）作为观测日。观测时间为游客活动较集中的时段（7:00—19:00），每隔2 h同步测定各观测点的空气温湿度、平均风速、光照、PM2.5颗粒物浓度、空气负离子等康养指标的数值。夏季各林分康养指标的日变化时刻值取10 d观测的平均值。各康养指标的测定和计算方法如下。

1.2.1 人体舒适度 人体舒适度用陆鼎煌等[11]提出的舒适度指数进行评价，计算公式为：

= 0.6（|-24|）+0.07（|-70|）+ 0.5（|-2|） （1）

式中：为综合舒适度指数；为气温，℃；为相对湿度，%；为风速，m·s-1。将舒适度等级划分为4个等级，舒适度指数越小，人体感觉舒适程度越高，反之越低[11]。

表1 样地调查概况

表2 人体舒适度评价标准

1.2.2 PM2.5颗粒物浓度 用英国公司生产的Dustmate粉尘监测仪测定人体平均呼吸高度1.2～1.5 m处可入肺颗粒物（PM2.5，直径≤2.5 μm）。每次采样时间为2 min，各个监测点同步进行，每个时间段连续读取3组数值，取平均值[10]。

1.2.3 负离子浓度 采用日本生产的型号为KEC-990空气离子测定器进行数据采集，具体方法如下：分别取各试验样点中心和样点的东、南、西、北4个方向互相垂直的1.5 m高处测量点，待仪器数值稳定后，每个试验点的测量值取5个点的平均值。

评价方法选用石强[12]、潘剑彬[13]、冯燕珠[14]等于2010年做出的局部修正森林环境空气负离子评价指数。设定4个空气质量等级，以1 000个·cm-3作为负离子等级梯度值来划分[14]。

=（-/1 000 ）×（2）

式中：为空气负离子评价指数；为空气负离子系数；-为负离子浓度；1 000为人体生物学效应最低负离子浓度。

表3 城市森林环境空气负离子等级评价标准

1.2.4 动物旷场试验（OFT） 在监测森林环境康养指标的基础上，通过旷场试验分析、测定小白鼠经游憩林“处理”一段时间后，其自发行为、探索行为和焦虑状态等生理指标的变化规律。动物旷场试验选在晴朗微风的条件下进行，试验周期为6 d（7月10—15日），所需材料和方法如下。

试验用昆明种小白鼠由北京市301医院动物医学中心提供，6周龄，体重在18～22 g之间，每个林分10只且雌雄各半，购买后先在实验室自然饲养1周以适应周围环境。将规格为35 cm×18 cm×15 cm的鼠笼底部加木板固定，方便收集动物粪便，顶部四角分别用细铁丝连接，以便鼠笼在户外悬挂[15]。

Super-Maze动物行为视频分析系统由3个部分组成，分别为：摄像机、计算机和图像采集系统。可同时追踪4只小白鼠的运动轨迹以及自发活动情况。试验过程中，将矿场箱底部分割为16个方格，红色区域为中央活动区域，其他为周边区域格，具体见图2。

每天开始试验前称取小白鼠的体重，用记号笔在其尾部标号，雌雄各半分装在游憩林和对照组试验笼中。9:00—15:00悬挂期间，不饮水不进食，空白对照实验同步进行；15:00之后将3组游憩林分的小白鼠送回旷场箱中进行分析，每批动物观察5 min，此外每天记录每只鼠笼内的粪便粒数[10]。

图2 16宫格和室外模拟试验箱示意图

Figure 2 Schematic diagram of sixteen grid and outdoor simulation test box

1.2.5 数据统计分析 采用Excel2010软件进行人体气候舒适度、PM2.5颗粒物浓度、负离子浓度日变化的图表制作和数据分析；分别采用SPSS21.0、Origin9.0和Excel2010软件对小白鼠自发行为分析试验的数据进行统计分析、有效性检查和图表制作等，应用ANOVA单因素方差分析进行组间差异比较[10, 15]。

2 结果与分析

2.1 气候因子及人体舒适度指数日变化

如图3所示：3种林分风速日变化曲线没有明显的变化规律，但均是在13:00—15:00时间段达到峰值；从各试验样地风速日均值大小比较来看，对照组的值最大，为0.35 m·s-1，针阔混交林次之，为0.24 m·s-1，阔叶林风速值最小，为0.09 m·s-1。风速日均值对照组分别比阔叶林、针叶林、针阔混交林高72.60%、63.42%和32.66%。从日变化差异分析来看（ANOVA单因素方差分析）7:00、11:00和19:00 3个时刻对照组与其他3种林分差异极显著（＜0.01）；13:00针阔混交林与其他两种林分差异极显著（＜0.01）；11:00和13:00阔叶林与针叶林差异显著（＜0.05）。

对照组与其他3种林分的温度日变化规律一致，均是先升高后缓慢降低，在11:00—13:00时间段达到峰值。对照组温度日均值最高，为29.94 ℃；针叶林次之，为29.17 ℃；阔叶林值最小，为28.72 ℃。对照组气温日均值分别比阔叶林、针阔混交林和针叶林高4.08%、3.71%和2.60%。从日变化差异来看，对照组与其他3种林分在11:00差异极显著（＜0.01）；7:00—9:00差异显著（＜0.05）。

图3 夏季3种游憩林分环境小气候因子日变化

Figure 3 The diurnal changes of environmental microclimate factors of three recreational forests

表4 夏季3种游憩林人体舒适度指数日变化值

图4 夏季3种游憩林分环境PM2.5颗粒物浓度和负离子浓度日变化

Figure 4 Diurnal changes of PM2.5particulate matter concentration and negative ion concentration in three recreation forest stands in summer

各试验样地湿度日变化曲线呈“长柄勺”状，先迅速降低后平稳回升。阔叶林湿度日均值最大，为75.70%；针叶林次之，为74.88%；对照组值最低，为72.42%。对照组分别比阔叶林、针叶林、针阔混交林日均值高4.33%、3.28%和2.81%。从日变化差异来看，对照组与其他3种林分在7:00和11:00时刻差异显著（＜0.05）。

从夏季3种游憩林人体舒适度指数日变化来看（表4），对照组除了17:00时刻低于针叶林外，其余时刻均是对照组高于样地组，尤其在7:00和11:00时刻差异较大。从人体舒适度指数日均值来看，对照组值最高，为4.71；其次为阔叶林值，为4.38，针阔混交林值最低，为4.09，对照组分别比阔叶林、针叶林、针阔混交林日均值高11.14%、7.00%和13.15%。3种样地均在13:00时刻值最高，7:00时刻值最低。说明夏季11:00—13:00时间段，由于温度较高、湿度较大，人体有闷热等不舒适感，尤其是针叶林内人体体感舒适程度较低，不适合在此休息、游憩。

2.2 PM2.5颗粒物浓度的日变化

从图4中可以看出，PM2.5颗粒物浓度日变化曲线呈“阶梯”状递减变化，全天各林分的峰值均出现在7:00时刻，而谷值出现在19:00时刻。对照组除了在7:00时刻低于阔叶林和真阔混交林、9:00时刻低于阔叶林和针叶林之外，全天其余时刻均高于其他3种游憩林。对各样地各时刻值进行方差分析比较得出：针叶林的PM2.5值在7:00和13:00—15:00时间段显著低于阔叶林和针阔混交林（＜0.05），且13:00—15:00时间段极显著低于对照组（＜0.01）；针叶林和针阔混交林在19:00时刻值显著低于阔叶林和对照组；其他时刻各林分差异不显著。从各试验样地日均值大小来看，对照组值最高，为39.43 µg·m-3；阔叶林值次之，为37 µg·m-3；针叶林值最低，为30.57 µg·m-3。对照组分别比针叶林、针阔混交林和阔叶林日均值高22.46%、8.70%和6.16%。夏季针叶林PM2.5颗粒物浓度日均值属于清洁级别，而全天13:00—19:00时间段各林分颗粒物浓度均属于清洁级别。

图5 3种游憩林分环境小白鼠运动总路程和中央格运动路程

Figure 5 The total distance and central grid movement distance of mice in three recreation forest stands

图6 3种游憩林分环境小白鼠中央格停留时间和中央格的进入次数

Figure 6 The central grid movement time and crossing number of mice in three recreation forest stands

2.3 负离子浓度日变化

从3种游憩林和对照组负离子浓度日变化曲线看出，各样地均呈“V”字型变化。针叶林、阔叶林和对照组的低谷期出现在11:00时刻，而针阔混交林滞后2 h出现在13:00时刻；3种游憩林的峰值均出现在7:00时刻，但对照组的峰值出现在傍晚19:00时刻。全天各时刻负离子浓度均是对照组低于其他林分组。对各样地各时刻值进行方差分析比较得出：全天各时刻对照组值极显著低于其他3种游憩林分组（＜0.01）；针阔混交林全天各时刻值极显著高于阔叶林（＜0.01）；真阔混交林在7:00—11:00时间段极显著高于针叶林（＜0.01）。从各林分日均值大小分析结果看出，针阔混交林值最高为698.69个·m-3，阔叶林值最低为516.75个·m-3，对照组分别比针阔混交林、针叶林和阔叶林高52.53%、43.03%和35.82%。除了15:00时刻外，全天各时刻针阔混交林均极显著高于阔叶林和针叶林（＜0.01）。

图7 3种游憩林分环境小白鼠体重和粪便粒数

Figure 7 The body weight and fecal particle number of mice in three recreation forest stands

2.4 经森林环境处理的小鼠自发行为的变化

2.4.1 运动总路程和中央格运动路程 依据小鼠自身的生活习性，将前3天视为探索阶段，后3天视为适应阶段[16]。由图5可知，探索阶段3种森林环境处理的小鼠运动总路程变化一致呈直线递增，而对照组小鼠运动总路程反其道而行，先降后升。小鼠的运动总路程在探索阶段较适应阶段变化剧烈，说明随着试验的反复进行，逐渐适应了环境，运动量也随之减少[11]。试验期间，总体来说3种森林环境小鼠的运动总路程变化幅度较大，而对照组波动较小，其中在第3天对照组与处理组分别差异极显著（＜0.01）。6 d试验期间，各游憩林分环境与对照组相比，阔叶林小鼠运动总路程和中央格运动路程值均最高（156.04 m和28.73 m），对照组值最低（132.71 m和23.30 m）；处理组与对照组的运动总路程和中央格运动路程相比较，针叶林、阔叶林、针阔混交林分别高于对照组6.18%和17.57%、13.25%和23.31%、4.19%、14.52%。

2.4.2 中央格停留时间和进入次数 由图6可知，前5天3种森林环境小鼠中央格停留时间基本呈先升高后降低的趋势变化，处理组小鼠则逐渐降低。整个试验期间除第1天外，3组处理组停留时间均高于对照组，尤其在第3天差异显著（＜0.05）。阔叶林小鼠中央格停留时间最长（19.52 s），对照组最短（28.77 s）；从中央格停留时间的日均值比较来看，针叶林、阔叶林、针阔混交林分别高于对照组18.46%、19.53%和12.01%。6 d试验期间3组处理组小鼠中央格进入次数（即穿越次数）均呈“W”型变化，而对照组小鼠变化趋势相对平缓，在第3天3组处理组与对照组差异均极显著（＜0.01）。将不同森林环境与对照组小鼠的中央格进入次数日均值进行比较发现，仍是阔叶林值最高（25.45次），对照组值最低（20.70次）；针叶林、阔叶林和针阔混交林分别高于对照组5.46%、8.96%和6.36%。

2.4.3 体重和粪便粒数 如图7所示，整个试验期间3种森林环境的小鼠体重变化相似，均呈直线上升趋势，而对照组波动较大，除了第1天对照组体重高于处理组外，其余时间均是处理组高于对照组，且在第3天差异极显著（＜0.01），第4、第5和第6天差异显著（＜0.05）。6 d均值中阔叶林小鼠体重最大（26.13 g），对照组最小（23.49 g）；从日均值比较来看，针叶林、阔叶林、针阔混交林分别高于对照组11.16%、11.19%和7.53%。从小鼠的粪便粒数变化规律来看，6 d试验期间，对照组均高于处理组，且在第4、5天差异显著（＜0.05），阔叶林小鼠粪便粒数日均值最低（60.67个），反之，对照组值最大（67.83个）。对各林分小鼠的粪便粒数日均值进行计算，结果得出：针叶林、阔叶林、针阔混交林分别高于对照组7.95%、11.81%和5.17%。

3 讨论与结论

人受环境因素影响体感舒适的重要三因子分别是风速、温度和湿度[17]。夏季是森林植被发挥其多种功能生态效益的最优季节，森林通过植被的茂密林冠层可以有效降低林内风速；植被通过遮挡和吸收太阳辐射以及光合蒸腾达到降温增湿效应[18]。从研究结果分析可以看出，3种林分风速日均值均显著低于空白对照组，3种林分较对照组相比尤其在11:00—13:00有显著的降温增湿效应。说明与裸地或广场对照点相比，城市森林在缓解热岛方面效应效果显著。这与赵文瑞[19]、薛雪[20]、古琳[21]等研究结果一致。

有研究表明，影响空气环境中PM2.5浓度的因素复杂多样，但气象条件以及人为活动是决定城市环境中颗粒物浓度时空变化的主要因素[22]。城市森林受城市环境大背景影响下，PM2.5的来源除了受森林环境中花粉、孢子以及植物释放有机挥发物形成的二次粒子等影响外，还与五环路边汽车尾气排放的输送和游客人为活动产生的扬尘等因素影响[23]。从本研究结果分析来看，夏季PM2.5颗粒物浓度日均值3种游憩林均显著低于对照组，尤其是针叶林效果更显著。说明在公园大环境背景影响下，游憩林有显著降低颗粒物浓度的能力，主要原因是：一方面，夏季植物枝叶面积较大，生理活性强，其表面的绒毛和微结构为其吸附和滞纳提供了巨大空间[24]；另一方面，植物滞尘的主要部位是叶片，针叶树种能分泌油脂等物质，从而更有效地黏贴小粒径颗粒物[25]。综上所述，夏季3种游憩林分环境PM2.5颗粒物浓度日均值相比，针叶林的滞尘效果（吸附PM2.5能力）最优。

邹信春等[26]对森林环境空气负离子的研究发现，森林环境中通过枝叶的拍打和修剪均能使地面上的负电进行传导，进而产生空气负离子。森林中的负离子不但可提高人体免疫力，消除疲劳，提高工作效率，还可杀灭细菌，抑制有害病菌的繁殖，因此，森林环境中的空气负离子是评价其康养功能的重要参考指标之一，也被称为“森林维生素”[27-28]。在夏季，高温影响人们的正常生活和工作，而城市绿地除具遮阴、降温、増湿等功能外，还能通过叶尖端放电以及植物光合作用、短波紫外线作用下形成的光电效应，使空气电离产生负离子，从而提高人的舒适度[29-31]。本研究结果也证明，较针叶林和阔叶林相比，真阔混交林内负离子浓度日均值最高。但是本研究只针对夏季植物释放负离子浓度进行了分析，今后还要加强不同群落配置形式，不同季节的多尺度、多季节的时空动态变化研究。

本研究采用动物旷场试验，通过分析其一系列自发行为指标变化，从动物的心理生理以及行为学角度，来验证夏季3种游憩林分环境对人体所具有的康养保健功能[32]。结果表明，经3种游憩林分环境处理的小白鼠，尤其是阔叶林，其运动量明显增强，探索和认知能力显著提高，食欲大增，紧张情绪得到有效缓解[33]。主要原因包括：夏季植物枝叶茂盛（尤其是阔叶林），森林环境有明显的降温增湿效应，可缓解小白鼠的紧张情绪，使其食欲大增[32]；3种游憩林分环境均有不同程度的吸附、滞留PM2.5颗粒物进而起到净化空气的能力（针叶林最强），有利于提高动物的心理活动的稳定性以及敏捷度[33]，对提高其大脑思维活动、增强其探索能力有很大帮助[34]；夏季植物生理活性较强，可释放出大量的负离子，消除疲劳、提高动物的免疫力[35]，试验结果也证明处理组相比对照组，可显著提高小白鼠的探索、认识能力。但是，本研究只针对夏季进行了动物旷场指标的变化分析，今后应增加动物自发行为指标与保健因子的相关性分析以及对不同季节、不同植物群落配置影响的深入对比研究，以期真正实现其模拟森林康养对人体所具有的治疗、康复、保健和疗养等作用的功能。

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Study on recuperation effects of three common plant communities in northern China in summer

WANG Qian1, WANG Yuerong1, GU Lin2, 3, DUAN Minjie1

(1. Beijing Institute of Landscape Architecture, Beijing 100102; 2. Research Institute of Forestry, Chinese Academy of Forestry, Key Laboratory of Tree Breeding and Cultivation, State Forestry Administration, Beijing 100091; 3. Urban Forest Research Center, State Forestry Administration, Beijing 100091)

In this study, the daily and seasonal changes of health care factors of three kinds of recreational forest environment in Olympic Forest Park in summer were studied to analyze the impact of different forest environments on human health. The specific test methods were as follows: Health care factors such as air temperature and humidity, air particulate matter and air anion in different stand environments in summer were collected and analyzed by using temperature and humidity meter, dust monitor and air anion detector. Data statistical analysis method was adopted in combination with animal open field test to simulate the health function of forest environment on human body. The results showed that: as for the daily average of human comfort index, the control group was the highest, followed by broad-leaved forest, and the coniferous and broad-leaved mixed forest was the lowest. The control group was 11.14%, 7.00% and 13.15% higher than the other three stands, respectively. According to the analysis of daily average of PM2.5 particulate concentration, the control group was the highest, followed by broad-leaved forest, and the coniferous forest was the lowest. Compared with the other three stands, the daily average of the control group was higher by 22.46%, 8.70% and 6.16%, respectively. According to the daily average value of negative ions in each forest stand, the coniferous and broad-leaved mixed forest was the highest, followed by broad-leaved forest, and the control group was the lowest. Compared with the other three stands, the daily average of the control group was lower by 52.53%,43.03% and 35.82%, respectively. As for the results of animal open field experiment, compared with the control group, the total movement distance, movement distance in center, time of staying in center and entry times of mice treated by the other three stands significantly increased. The results indicated that the ecological environment in the three kinds of recreation forests in summer was better as a whole, especially the coniferous forest or mixed forest with lower average daily concentration of particulate matter, higher daily average concentration of anion, and appropriate temperature and humidity. Moreover, compared with the other three kinds of forest stands, the mice treated by broad-leaved forest environment had significantly improved their exploration and cognitive ability, which is suitable for the development and construction of forest bath.

summer; recreational forests; health care factor; health effect

S727.5

A

1672-352X (2021)03-0352-08

10.13610/j.cnki.1672-352x.20210706.014

2021-7-7 10:37:04

[URL] https://kns.cnki.net/kcms/detail/34.1162.S.20210706.1647.028.html

2020-09-15

北京市自然科学基金项目（8192018）和北京市公园管理中心科技项目（ZX2019021）共同资助。

王 茜，博士，高级工程师。E-mail：wangqian-200@163.com

王月容，博士，高级工程师。E-mail：467309192@qq.com